菜壩岷江特大橋橋面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

滕炳杰

(中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

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菜壩岷江特大橋橋面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

滕炳杰

(中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

【摘要】菜壩岷江特大橋主橋?yàn)?140+224+140) m鋼桁連續(xù)梁，采用道砟槽板橋面，混凝土橋面板通過(guò)特制的剪力傳遞器(剪力鍵)與縱橫梁橋面系聯(lián)成整體，從而參與主梁受力，其受力形式較為復(fù)雜。通過(guò)計(jì)算表明，剪力鍵的抗剪剛度的大小對(duì)鋼桁連續(xù)梁縱橫梁、道砟槽板及剪力鍵本身的受力有至關(guān)重要的影響，最終根據(jù)結(jié)論選取了較優(yōu)的剪力鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，保證該橋運(yùn)行安全。

【關(guān)鍵詞】鋼桁梁；道砟槽板；抗剪剛度：剪力鍵

我國(guó)的鐵路鋼桁梁橋面一般采用縱橫梁明橋面，但是明橋面系鋼桁梁噪音大、沖擊大、橋下易落物、易污染，且一般僅限使用于平坡直線路段，不適用于160km/h以上的行車(chē)速度，目前各國(guó)較少采用。道砟橋面由于其良好的降噪效果，通常用于通過(guò)城市或住宅較密集地段的鐵路橋梁。道砟橋面有RC或PC橋面、鋼橋面和梁格系橋面等形式。

RC或PC橋面板式橋面結(jié)構(gòu)根據(jù)橋面板是否參與主梁受力可以分為非結(jié)合梁式與結(jié)合梁式兩種。非結(jié)合梁式即為混凝橋面板安裝在鋼橋面系(鋼縱、橫梁)上，只是相當(dāng)于主橋的一個(gè)傳力構(gòu)件，不參與主梁共同受力。由于混凝土橋面板不參與主梁受力，因此，橋面板在主梁變形、橋面板混凝土收縮徐變及縱梁溫度變化影響下，不產(chǎn)生過(guò)大的拉應(yīng)力。結(jié)合梁式則為混凝土橋面板與下弦桿和縱橫梁橋面系通過(guò)特制的剪力傳遞器(剪力鍵)聯(lián)成整體，從而參與主梁受力，類(lèi)似于鋼-混組合梁?；炷翗蛎姘逋瑫r(shí)又可作為道砟槽，其受力形式較為復(fù)雜，凡是能影響主橋受力的因素，也會(huì)使

其的受力狀態(tài)受到影響，而且不易更換和維修。鋼橋面一般采用正交異性板的形式，正交異性板鋼橋面系則為鋼橋面板同時(shí)作為承砟槽，列車(chē)活載通過(guò)橋枕及道砟均勻分布到整個(gè)橋面板上。梁格系橋面形式，通常在橋面系梁格上設(shè)置波紋鋼板，道砟填充于鋼板上。

道砟橋面由于有道砟，可以減小噪音和便于維修，其穩(wěn)定性和耐久性要高于明橋面,所以在我國(guó)的新建鐵路鋼桁梁中道砟橋面幾乎取代了明橋面。

1工程概況

新建鐵路成都至貴陽(yáng)線樂(lè)山至貴陽(yáng)段起于樂(lè)山站，止于貴陽(yáng)北站，含樂(lè)山地區(qū)、貴陽(yáng)樞紐相關(guān)配套工程。菜壩岷江特大橋?yàn)槌少F線“五橋一隧”中的一座，橫跨岷江，全長(zhǎng)1 186.95m(圖1、圖2)。主橋(140+224+140)m鋼桁連續(xù)梁為目前國(guó)內(nèi)最大跨度的鋼桁連續(xù)梁橋，也是國(guó)內(nèi)首座采用變桁高(下弦曲線變化)主桁結(jié)構(gòu)型式的鋼橋，是全線的關(guān)鍵性工程。

圖1　橋型布置(單位：cm)

圖2　菜壩岷江鋼桁連續(xù)梁效果圖

主橋鋼桁梁采用N型、K型組合桁式，跨中桁高16m，支點(diǎn)桁高32m，節(jié)間長(zhǎng)度14.0m，兩片主桁，主桁中心距14m，主桁節(jié)點(diǎn)均采用焊接整體節(jié)點(diǎn)。橋面采用縱橫梁結(jié)構(gòu)體系，每一線鐵路下方設(shè)兩道縱梁，間距2.0m，縱梁全橋連續(xù)，與橫梁栓焊連接。沿橋縱向每一節(jié)點(diǎn)處設(shè)一道橫梁，橫梁為箱型橫梁。

道砟槽板中心處板厚25cm，翼緣最小厚度15cm，橫橋向沿線路中心線方向設(shè)2 %排水橫坡，道砟槽板對(duì)稱(chēng)于線路中心線分兩幅布置，單幅道砟槽板橫向?qū)挾?.675m，橋面中心處縱向縫寬5cm，道砟槽板在每半個(gè)節(jié)間設(shè)0.035m寬橫向斷縫。道砟槽板支撐于四片工字型縱梁上，四片縱梁橫向中心距2m+2.6m+2m。預(yù)制道砟槽板順橋向長(zhǎng)度分為6.965m、4.483m兩種類(lèi)型，吊重分別約24.8t、15.9t。為適應(yīng)鋼縱梁上成束布置的剪力釘，在預(yù)制板上對(duì)應(yīng)于剪力釘?shù)奈恢瞄_(kāi)剪力釘槽。道砟槽板構(gòu)造圖如圖3所示。

圖3　菜壩岷江鋼桁連續(xù)梁道砟槽板構(gòu)造

2計(jì)算方法

采用大型有限元軟件MIDAS建立空間梁?jiǎn)卧獙?duì)道砟槽板橋面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，計(jì)算模型如圖4所示。分析計(jì)算時(shí)，主桁弦桿、腹桿、聯(lián)接系、道砟槽板均采用空間梁?jiǎn)卧M。由于混凝土道砟槽板與鋼橋面板之間是通過(guò)剪力釘連接的，假定混凝土道砟槽板與鋼橋面板之間沒(méi)有相對(duì)滑移，在其對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)處加以剛性連接模擬，全橋劃分為1 396個(gè)單元,1 410個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖4　菜壩岷江鋼桁連續(xù)梁計(jì)算模型

3計(jì)算結(jié)果

本橋橋面系采用縱橫梁體系，縱梁上設(shè)置混凝土道砟槽，道砟槽通過(guò)剪力栓釘與縱梁連接。整體設(shè)計(jì)時(shí)，不考慮道砟槽與結(jié)構(gòu)的共同受力，栓釘僅起固定道砟槽的作用。但是，一旦道砟槽通過(guò)栓釘與縱梁結(jié)合，必然會(huì)參與結(jié)構(gòu)的整體受力，道砟槽與縱橫梁等相互影響。

抗剪連接件分為剛性、柔性和普通剪力栓釘3種型式。剪力栓釘焊接技術(shù)成熟，施工簡(jiǎn)單，受力可靠，并且混凝土的應(yīng)力集中小，所以應(yīng)用最為廣泛。栓釘?shù)目辜魟偠葘?duì)縱橫梁、道砟槽板及栓釘自身的受力都有很大的影響。焊釘?shù)目辜魟偠葟睦碚撋嫌?jì)算很困難，只有通過(guò)試驗(yàn)研究得出，目前常用的試驗(yàn)是推出試驗(yàn)。于是，我們考慮采用10kN/mm、100kN/mm、1 000kN/mm三種單顆剪力栓釘抗剪剛度分別模擬柔性剪力栓釘、普通剪力栓釘及剛性剪力栓釘，以分析在這3種剪力栓釘方案下，菜壩岷江鋼桁連續(xù)梁縱橫梁、道砟槽板及栓釘?shù)氖芰η闆r。

3.1栓釘抗剪剛度對(duì)縱、橫梁影響

表1分別列出了在最不利荷載組合作用下，菜壩岷江鋼桁連續(xù)的縱、橫梁在采用3種不同栓釘抗剪剛度時(shí)的應(yīng)力極值，其中正值為拉應(yīng)力，負(fù)值壓應(yīng)力。由表1可知：

(1)剪力栓釘抗剪剛度越大，非斷縫處的縱梁應(yīng)力相對(duì)較小，但是斷縫處縱梁應(yīng)力有突變且很大，單顆剪力栓釘抗剪剛度為10kN/mm、100kN/mm、1 000kN/mm時(shí)，突變部位的最大值為188MPa、244MPa、266MPa；

(2)由于道砟槽板通過(guò)栓釘與縱、橫梁聯(lián)接，導(dǎo)致橫梁的面外應(yīng)力及組合應(yīng)力增加，當(dāng)單顆剪力栓釘抗剪剛度為10kN/mm、100kN/mm、1 000kN/mm時(shí)，橫梁應(yīng)力極值為191MPa、201MPa、203MPa；

(3)剪力栓釘抗剪剛度對(duì)橫梁的面外應(yīng)力及組合應(yīng)力有所影響，剛度越大影響越大，對(duì)面內(nèi)應(yīng)力基本無(wú)影響。

3.2栓釘抗剪剛度對(duì)道砟槽影響

表2列出了在最不利荷載組合作用下，菜壩岷江鋼桁連續(xù)道砟槽板在采用三種不同栓釘抗剪剛度時(shí)的應(yīng)力極值，其中正值為拉應(yīng)力，負(fù)值壓應(yīng)力。從表2可以看出：當(dāng)單顆栓釘抗剪剛度10kN/mm時(shí)，道砟槽板的名義應(yīng)力最大值為9MPa；當(dāng)單顆栓釘抗剪剛度100kN/mm及1 000kN/mm時(shí)，道砟槽的名義應(yīng)力最大值分別為16MPa及26MPa，且都發(fā)生在道砟槽板斷縫處。由此可見(jiàn)，栓釘抗剪剛度越大，道砟槽板的名義應(yīng)力則越大，在相同配筋情況下，道砟槽板的裂縫也越大，這樣會(huì)嚴(yán)重危害了道砟槽板的耐久性。

表1　最不利荷載作用下縱、橫梁應(yīng)力極值　MPa

表2　最不利荷載作用下道砟槽板應(yīng)力極值　MPa

3.3栓釘抗剪剛度對(duì)自身受力影響

以菜壩岷江鋼桁連續(xù)梁橋軸方向?yàn)闄M坐標(biāo)，單顆栓釘剪力值為縱坐標(biāo)作圖，得到延橋軸方向栓釘所受剪力值，如圖5～圖7所示。

由圖5～圖7可知：

(1)在最不利荷載組合作用下，栓釘剛度越大剪力越大；

(2)栓釘剪力在斷縫處最大，剪力呈現(xiàn)正負(fù)交替現(xiàn)象；

圖5　栓釘剪力(單顆栓釘抗剪剛度10 kN/mm)

圖6　栓釘剪力(單顆栓釘抗剪剛度100 kN/mm)

圖7　栓釘剪力(單顆栓釘抗剪剛度1 000 kN/mm)

(3)在單顆栓釘抗剪剛度為10kN/mm、100kN/mm、1 000kN/mm情況下，端部栓釘最大剪力分別為34.2kN、95.9kN、147.0kN。除10kN/mm情況外，抗剪剛度為100kN、1 000kN/mm均不滿(mǎn)足相關(guān)研究結(jié)果。

4結(jié)論

以成貴客運(yùn)專(zhuān)線(140+224+140)m菜壩岷江鋼桁連續(xù)梁為例，分析該梁道砟槽板設(shè)計(jì)時(shí)采用的栓釘抗剪剛度對(duì)橋面系受力影響，得出以下結(jié)論：

(1)由于道砟槽板的橫向斷縫，此處橋面結(jié)構(gòu)截面特性突變，斷縫處縱梁應(yīng)力有較大突變，栓釘抗剪剛度越大，縱梁應(yīng)力突變值則越大；

(2)由于道砟槽板通過(guò)栓釘與縱、橫梁聯(lián)接，栓釘抗剪剛度越大，結(jié)合越強(qiáng)，則橫梁的面外應(yīng)力及組合應(yīng)力越大；

(3)道砟槽板的受力隨著栓釘抗剪剛度的增大而增大；

(4)栓釘?shù)氖芰﹄S著栓釘抗剪剛度的增大而增大，且在道砟槽板斷縫附近栓釘剪力最大，僅僅在單顆栓釘抗剪剛度為10kN/mm時(shí)滿(mǎn)足受力要求。

根據(jù)分析結(jié)論，從盡可能減小鋼桁連續(xù)梁的縱橫梁、道砟槽板及栓釘受力的角度出發(fā)，道砟槽板的設(shè)計(jì)采用柔性栓釘，栓釘采用抗剪剛度為10.4kN/mm(包裹厚度7.5mm的橡膠材料包裹，橡膠須包裹在焊釘根部，包裹長(zhǎng)度75mm)，從而保證該橋橋面結(jié)構(gòu)的安全使用。

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[作者簡(jiǎn)介]滕炳杰(1983～)，男，工程師，研究方向?yàn)闃蛄汗こ?、鐵路大跨度橋梁結(jié)構(gòu)。

【中圖分類(lèi)號(hào)】U441

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

[定稿日期]2015-12-21